[发明专利]离子型稀土原地浸矿的浸矿剂浓度计算方法

摘要

本发明涉及一种离子型稀土原地浸矿的浸矿剂浓度计算方法，本发明包含6个步骤，分别为：(1)确定矿体的离子交换模型；(2)计算离子交换模型的选择系数；(3)计算矿体的平均孔隙流速；(4)考虑对流‑弥散过程计算浸矿剂阳离子离子和液相稀土离子的浓度；(5)考虑离子交换过程计算液相浸矿剂阳离子和液相稀土离子的浓度；(6)计算浸矿剂的浓度。本发明在测试实际矿体溶质运移参数和品位的基础上，利用所建立的计算方法，可以计算出离子型稀土原地浸矿的浸矿剂浓度，为原地浸矿确定浸矿剂的浓度提供依据。本发明在保证稀土浸取率的前提下减少了浸矿剂的用量，降低了开采成本，避免过量浸矿剂对环境的污染，有利于水资源的保护。

主权项

1.一种离子型稀土原地浸矿的浸矿剂浓度计算方法，其特征是，包括以下步骤：第一步：确定矿体的离子交换模型，(1)离子型稀土矿样的杯浸试验，进行浸矿剂浓度为1.0g/L～20.0g/L浸取稀土矿样的杯浸试验，测试对应浸出液中稀土离子浓度，得到浸矿剂浓度与浸出液中稀土离子浓度的关系曲线；(2)采用离子交换模型拟合浸矿剂浓度与浸出液中稀土离子浓度的关系曲线，选择平均相对误差最小的离子交换模型作为描述浸矿剂浸取稀土矿样的离子交换模型；第二步：计算离子交换模型的选择系数，以选择系数作为未知数，采用第一步确定的离子交换模型拟合浸矿剂浓度与浸出液中稀土离子浓度的关系曲线，得到矿样的离子交换模型的选择系数；第三步：测试矿体的平均孔隙流速，采用现有的方法测试现场矿体的饱和渗透系数，矿体的达西流速在数值上等于饱和渗透系数，对现场矿体进行取样，采用现有的方法测试矿体的孔隙率，根据关系式(1)确定现场矿体的平均孔隙流速；关系式(1)：u＝v/n                                 (1)，关系式(1)中：u为平均孔隙流速，v为达西流速，n为孔隙率；采用关系式(2)确定不同坐标处矿体的水动力弥散系数：关系式(2)，D＝0.1z·|u|                            (2)，关系式(2)中：D为水动力弥散系数，z为垂直坐标，垂直坐标以地表为原点，垂直向下为正，u为平均孔隙流速，|u|为对u取绝对值运算；第四步：考虑对流‑弥散过程计算液相浸矿剂阳离子和液相稀土离子的浓度，浸矿剂在矿体中运移时，液相浸矿剂阳离子在运移过程中会与吸附在土颗粒表面的稀土离子发生离子交换反应，置换出吸附在矿体土颗粒表面的稀土离子，整个过程既有浸矿剂阳离子和稀土离子的对流‑弥散过程，又有浸矿剂阳离子和稀土离子的离子交换过程；先计算对流‑弥散过程的浸矿剂阳离子和稀土离子的分布，再计算浸矿剂阳离子与稀土离子的交换量，对流‑弥散过程的浸矿剂阳离子和稀土离子分别满足关系式(3)和关系式(4)；关系式(3)：关系式(3)中：为考虑对流‑弥散的液相浸矿剂阳离子的浓度，D为水动力弥散系数，u为平均孔隙流速，k为时间节点，k＝0,1,2,…,p‑1，p为最大的时间结点，Δt为时间步长，i为坐标节点，i＝1,2,…,q‑1，q为最大的z坐标结点，Δz为z坐标步长；关系式(4)：关系式(4)中：为考虑对流‑弥散的液相稀土离子的浓度，D为水动力弥散系数，u为平均孔隙流速，k为时间节点，k＝0,1,2,…,p‑1，p为最大的时间结点，Δt为时间步长，i为z坐标节点，i＝1,2,…,q‑1，q为最大的z坐标结点，Δz为z坐标步长；在初始时刻，矿体中液相浸矿剂阳离子和液相稀土离子的浓度均为0，结合实际注液的边界条件，根据关系式(3)和关系式(4)，可以得到对流‑弥散过程，不同时刻、不同坐标处的液相浸矿剂阳离子和液相稀土离子的浓度；第五步：考虑离子交换过程计算液相浸矿剂阳离子和液相稀土离子的浓度，在第四步的基础上，考虑离子交换过程，发生离子交换后固相浸矿剂阳离子的摩尔数与离子交换前的差值与离子交换后液相稀土离子的摩尔数与交换前差值应满足当量关系，可以得到关系式(5)；关系式(5)：关系式(5)中：k为时间节点，k＝0,1,2,…,p‑1，p为最大的时间结点，i为z坐标节点，i＝1,2,…,q‑1，q为最大的z坐标结点，和分别为考虑离子交换的固相浸矿剂阳离子和液相稀土离子的浓度，为考虑对流‑弥散的液相稀土离子的浓度，将每个坐标节点划分为一个单元，坐标节点i处的单元称为单元体i，m_si为单元体i内矿体的质量，V_Li为单元体i内液相的体积，V_Li/m_si＝n/ρ_b/(1‑n)，n为孔隙率，ρ_b为矿体土颗粒的密度，M_N和M_R分别为浸矿剂阳离子和稀土离子的摩尔质量；单元体i内离子交换前后，液相和固相所构成的体系，浸矿剂阳离子和稀土离子应满足质量守恒，单元体i内，离子交换反应前液相浸矿剂阳离子的质量与固相浸矿剂阳离子的质量之和等于反应后液相浸矿剂阳离子的质量与固相浸矿剂阳离子的质量之和，可以采用关系式(6)表示；关系式(6)：关系式(6)中：k为时间节点，k＝0,1,2,…,p‑1，p为最大的时间结点，i为坐标节点，i＝1,2,…,q‑1，q为最大的z坐标结点，和分别为考虑离子交换的液相浸矿剂阳离子和液相稀土离子的浓度，和分别为考虑对流‑弥散的液相浸矿剂阳离子和液相稀土离子的浓度，M_N和M_R分别为浸矿剂阳离子和稀土离子的摩尔质量；单元体i内，离子交换反应前液相稀土离子的质量与固相稀土离子的质量之和等于反应后液相稀土离子的质量与固相稀土离子的质量之和，可以采用关系式(7)表示；关系式(7)：关系式(7)中：k为时间节点，k＝0,1,2,…,p‑1，p为最大的时间结点，i为坐标节点，i＝1,2,…,q‑1，q为最大的z坐标结点，和分别为考虑离子交换的固相稀土离子和液相稀土离子的浓度，为考虑对流‑弥散的液相稀土离子的浓度，将每个坐标节点划分为一个单元，坐标节点i处的单元称为单元体i，m_si为单元体i内矿体质量，V_Li为单元体i内液相的体积，V_Li/m_si＝n/ρ_b/(1‑n)，n为孔隙率，ρ_b为矿体土颗粒的密度；初始时刻，矿体中任意坐标的固相稀土离子浓度为浸矿前固相稀土离子浓度，矿体中任意坐标的固相铵根离子浓度为0，在矿体的底端，固相浸矿剂阳离子和固相稀土离子的浓度梯度为0，则固相浸矿剂阳离子和固相稀土离子的边界条件采用关系式(8)和关系式(9)表示；关系式(8)：关系式(8)中：为考虑离子交换的固相浸矿剂阳离子的浓度，L为矿块的矿体厚度，L通过探矿资料确定，t为时间，z为垂直坐标，垂直坐标以地表为原点，垂直向下为正；关系式(9)：关系式(9)中：为考虑离子交换的固相稀土离子的浓度，为初始时刻固相稀土离子的浓度，L为矿块的矿体厚度，和L通过探矿资料确定，t为时间，z为垂直坐标，垂直坐标以地表为原点，垂直向下为正；当k＝0，i＝1时，由边界条件和关系式(3)和关系式(4)得到和由关系式(8)和关系式(9)可知，等于0，等于在已知选择系数、和情况下，把关系式(5)、关系式(6)和关系式(7)代入离子交换模型中，可以得到关于的非线性方程组，解该非线性方程组，计算出把得到的代入关系式(5)、关系式(6)和关系式(7)中，分别可以计算出修正后的和当k＝0，i＝2时，在前两步的基础上结合边界条件，同样的，也可以计算出和以此类推，可计算出任意时刻、任意位置的和第六步：计算浸矿剂的浓度，在第一步、第二步和第三步确定基本参数的基础上，根据第四步和第五步的方法，先给定浸矿剂浓度初值，可以计算出稀土离子的穿透曲线，根据稀土离子的穿透曲线，计算这种浸矿剂浓度对应的稀土浸取率，改变浸矿剂浓度，可以得到不同浸矿剂浓度与稀土浸取率的关系图，设定目标浸取率，当计算浸取率大于目标浸取率时，由此确定浸矿剂浓度。